本发明涉及海洋立管设施铺设，具体是一种基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置及方法。
背景技术：
1、在海洋石油开采领域，海洋立管是重要的海底油气输送设备。海洋环境复杂多变，在洋流的作用下，海洋立管两侧会交替脱落漩涡，诱发涡激振动现象。该现象会使立管不断振动，加剧疲劳破坏，重则导致立管破裂而油气泄漏，危害海洋安全。
2、涡激振动现象发生的原理在于，交替脱落的漩涡给立管施加了横向的周期性作用力，这种力的频率如果接近立管的自然频率，会发生共振现象，使得立管振幅大大增加。抑制涡激振动在于控制好漩涡的交替脱落，一般来说，整流罩、控制棒、分离板等都是比较有效的设施。其中，控制棒体积较小，重量较轻，对立管施加额外载荷小，是比较好的控制方法，但如果控制棒位置摆放不当，反而会加重涡激振动现象。在复杂多变的海洋环境下，固定位置的控制棒难以起到控制涡激振动的效果。
技术实现思路
1、本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置及方法，性能可靠，装置现场安装方便，并能根据来流方向转动，根据分离流相对位置而移动
2、本发明提供了一种基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置，包括两个旋转模块和两个多孔控制棒组件，旋转模块安装在立管外侧，多孔控制棒组件安装在旋转模块的滑槽中，相对滑槽移动，两个旋转模块上下套在立管外侧且上、下两个旋转模块朝向一致。
3、上、下两个旋转模块相同，均包括转动件、固定件、l型档条、滑槽和齿条，固定件由一对半圆环型结构组成，其内径略大于立管的外径。固定件外缘倒圆角，其上、下面各有一对螺栓口，两结构通过螺栓连接。转动件由两个不同的半圆环形结构组成，其中一个铣有一对槽位，与滑槽对接。转动件按内径大小分上下两层，上层内径大于立管外径，下层内径略大于固定件的外径。转动件的两个半圆环形结构也通过螺栓连接。l型档条通过螺栓固定在转动件上，其尾端朝向立管且位于固定件下方。滑槽是厚度与转动件厚度相等，其一端通过螺栓与转动件固定，另一端为圆弧外形，其中心是一条中通的长圆槽，两个滑槽相对转动件中心线对称，其圆槽轴线与转动件中心线呈25度。两个齿条各安装在滑槽上靠近转动件中心线的一侧，其通过螺栓分别连接在滑槽尾端和滑槽中部。
4、所述多孔控制棒组件包括多孔控制棒、水轮、传动轴、齿轮、连杆和卡盘，多孔控制棒由多孔材料制成，其两端是方形柱，插入到连杆一端的方形通孔中。水轮外侧有4片叶片，呈90度分布，其内侧中通，由传动轴粗一侧插入，并通过键槽方式连接传递转矩。传动轴较细一侧装有齿轮，齿轮与滑槽上的齿条相咬合，传动轴较细一侧穿过连杆另一侧的圆形通孔，其长度较长，在连杆另一侧露头，使用卡盘固定。连杆两端的外圆直径相等，略小于滑槽的宽度。
5、安装时，先安装固定件，在立管外侧先垫一圈较薄的塑胶，然后安装固定件，通过螺栓连接紧固。将滑槽安装在转动件上，然后将转动件盖在固定件上方，并安装好l型档条限位。注意，下方滑槽上的齿条是朝下安装的，而上方的朝上。调整上下转动件的位置使上下滑槽相对，将多孔控制棒两端的方柱各放到上下的滑槽中，竖直放置。将连杆放入滑槽内，使多孔控制棒的方柱插入到连杆一端的方形通孔中，且另一端朝向尾流方向。将传动轴粗端插入到水轮中，以键槽连接，将齿轮从传动轴细端放入，然后将传动轴细端插入到连杆的圆形通孔中，使齿轮能和滑槽上的齿条相咬合。传动轴细端穿过连杆，在多余的部分安装卡盘，使传动轴可以转动而不能上下移动。
6、本发明还提供了一种基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制方法，包括以下步骤：
7、1）在立管外安装可绕立管旋转的自调节多孔控制棒；
8、2）当水流流向与两滑槽对称轴不一致时，水流作用在两侧滑槽和多孔控制棒的作用力不平衡，装置发生旋转，直到水流流向与两滑槽对称轴接近，此时两侧装置受力接近，多孔控制棒位于立管尾流区；
9、3）水流流经立管时，在立管两侧分离成两股比来流更强的水流，如果水流流经多孔控制棒较后方，则水流推动水轮转动，通过齿轮和齿条，带动多孔控制棒向后方移动，使水流刚好再附到多孔控制棒上，削弱了漩涡的发展，从而抑制涡激振动；如果水流流经多孔控制棒较前方，则水流推动水轮反向转动，带动多孔控制棒向前移动，避免水流直接撞击在多孔控制棒上而增强涡激振动；直到多孔控制棒处在某一位置时，水轮不再大幅度转动，此时装置达到相对稳定的状态；
10、相比固体控制棒，多孔材料制成的控制棒具有流体可穿透的特性，能起到一定的缓冲作用，更适应复杂多变的海洋环境。
11、进一步改进，采用权利要求1上述基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置，步骤3）中多孔控制棒位移时受到滑槽与连杆相互运动而产生的摩擦阻力，以及齿轮传动产生的能量损失，都使多孔控制棒的运动带有一定的阻尼，在多变的水流环境下更不容易反复运动，更有利于系统的稳定。
12、本发明原理如下：当水流流向与两滑槽对称轴不一致时，水流作用在两侧滑槽和多孔控制棒的作用力不平衡，装置发生旋转，直到水流流向与两滑槽对称轴接近，此时两侧装置受力比较均衡，多孔控制棒位于立管的尾流区。水流流经立管时，立管两侧分离成两股比来流更强的水流，如果水流流经多孔控制棒较后方，则水流推动水轮转动，通过齿轮和齿条相互咬合，带动多孔控制棒向后方移动，使水流刚好再附到多孔控制棒上，削弱了漩涡的发展，从而抑制涡激振动；如果水流流经多孔控制棒较前方，则水流推动水轮反向转动，带动多孔控制棒向前移动，避免水流直接撞击在多孔控制棒上而增强涡激振动；直到多孔控制棒处在某一位置时，水轮不再大幅度转动，此时装置达到相对稳定的状态。相比固体控制棒，多孔材料制成的控制棒具有流体可穿透的特性，能起到一定的缓冲作用，更适应复杂多变的海洋环境。
13、本发明有益效果在于：
14、1、本发明多孔控制棒能随水流方向旋转，适用于流向频繁变化的深海环境，能有效抑制涡激振动，延长立管使用寿命；
15、2、本发明的多孔控制棒能根据分离流相对位置进行前后移动，使其达到最佳的涡激振动控制效果；
16、3、本发明所采用的多孔控制棒由多孔材料制成，相比固体控制棒，该材料允许流体穿过，进而起到一定的缓冲作用，更能适应多变的海洋环境。
1.一种基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置，其特征在于：包括立管、两个多孔控制棒组件和两个旋转模块，两个旋转模块上下套在立管外侧且上、下两个旋转模块朝向一致，旋转模块上设置有滑槽（4），两个多孔控制棒组件分别设置在上、下两个旋转模块之间，安装在滑槽（4）上并相对滑槽（4）滑动，每个多孔控制棒组件均包括水轮（6）、卡盘（7）、多孔控制棒（8）、齿轮（9）、连杆（10）和传动轴（11），多孔控制棒（8）上下端分别通过连杆（10）连接有一个水轮（6），水轮（6）中间装有传动轴（11），传动轴（11）与连杆（10）连接并通过卡盘（7）固定，传动轴（11）上套有齿轮（9），齿轮（9）卡入滑槽（4）中。
2.根据权利要求1所述的基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置，其特征在于：所述连杆（10）包括圆形通孔和方形通孔，多孔控制棒（8）两端为方形柱体，插入连杆（10）的方形通孔中，传动轴（11）一端通过键槽插入水轮（6）中间，另一端插入连杆（10）的圆形通孔中。
3.根据权利要求1或2所述的基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置，其特征在于：所述水轮（6）有4个叶片，呈90度分布在圆环形柱体外。
4.根据权利要求1所述的基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置，其特征在于：所述旋转模块包括固定件（1）、转动件（2）、l型档条（3）、滑槽（4）和齿条（5），固定件（1）由一对半圆环形结构组成，通过螺栓连接固定在立管外侧；转动件（2）由两个不同的半圆环形结构组成，其中一个装有一对滑槽（4），两滑槽（4）的内侧各贴有一齿条（5）。
5.根据权利要求4所述的基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置，其特征在于：所述转动件（2）盖在固定件（1）上方，使用l型档条（3）进行纵向限位。
6.根据权利要求4所述的基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置，其特征在于：所述转动件（2）的两个不同的半圆环形结构中，其中一个结构以其中心线为对称轴，在其两侧各25度处铣有方形槽体，其上有两通孔；以半圆交界面为起始面，其上45度和135度处的侧面各铣有一条直槽，直槽内设置有一对螺栓孔；转动件（2）根据内径分为上下两层，上层内径大于立管外径，下层内径大于固定件（1）的外径。
7.根据权利要求6所述的基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置，其特征在于：所述l型档条（3）由金属薄板弯折而成，侧立面是方形长条，其上有两通孔，直径与转动件（2）侧面直槽上的螺栓孔相等；l型档条（3）小于转动件（2）外径与立管外径的差值。
8.根据权利要求6所述的基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置，其特征在于：所述滑槽（4）尾端为方形，其上有两个通孔，直径与转动件（2）上方形槽体的相等；滑槽（4）中间是圆形通槽，滑槽（4）中间有一个凸起，上面通有一小孔，尾端是圆弧外形。
9.根据权利要求8所述的基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置，其特征在于：所述齿条（5）一端有通孔，其直径与滑槽（4）尾端的相等，齿条（5）中间有一小孔，直径与滑槽（4）中间的相等，齿条（5）的根部与滑槽（4）的圆形通槽相切。
10.一种基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制方法，采用权利要求1所述基于多孔控制棒的自调节涡激振动抑制装置，其特征在于包括以下步骤：
